Joule-Lenzov zakon: povijest

Teško je zamisliti život moderne osobe bez struje. Postao je jedan od glavnih i najvrednijih atributa modernog postojanja. Zapravo, svaka osoba koja je ikada radila s električnom energijom zna da ima tendenciju zagrijavanja kad se propušta kroz tekuće žice. Zašto to ovisi?

Što je trenutno

Struja je uređeno kretanje nabijenih čestica koje se nazivaju elektroni. A ako struja teče kroz vodič, u njemu se počinju pojavljivati ​​različiti fizički procesi, naime, elektroni se sudaraju s molekulama.

Molekule su neutralne ili one koje su izgubile negativno nabijene čestice. Kao posljedica sudara, ili elektroni mogu postati neutralne molekule, ili elektron koji formira pozitivno nabijeni ion izbija iz druge takve molekule. Tijekom tih sudara konzumira kinetička energija nabijene čestice. Ta energija postaje topla.

Otpor može utjecati na grijanje vodiča topline. Na primjer, možete uzeti određeno tijelo i povući ga po tlu. Zemlja u ovom slučaju je otpor. Što će se dogoditi s njim? Ispravno će se dogoditi između tijela i površine sila trenja što zauzvrat zagrijava tijelo. Struja se u ovom slučaju ponaša na isti način.

zavisnost

I, slušajući sve gore navedeno, znanstvenici su uspjeli odrediti taj odnos između jačine struje, otpora i količine topline. Ta se ovisnost naziva Joule-Lenzov zakon, čija je formula poznata svim fizičarima. U 1832-33, ruska fizičarka Emilie Lentz otkrila je da se s toplinskim učincima na metalnim vodičima njihova vodljivost bitno promijenila. To je zapravo kompliciralo rad znanstvenika i otežalo ga je izračunati električni krugovi.

Tada je mladi znanstvenik imao ideju da možda postoji neki odnos između trenutne snage i temperature vodiča. Ali kako biti? U to vrijeme nije bilo točnih električnih uređaja za mjerenje jačine struje, otpornosti, čak nije postojao ni izvor stabilnog EMF-a. Lenz se nije zaustavio, odlučio je provesti eksperiment.

Ruski eksperimenti fizike

Suština ovog iskustva bila je jednostavna kao i sva genijalna, da je čak i školarac može ponoviti. Znanstvenik je osmislio poseban uređaj koji je služio za mjerenje količine topline koju oslobađa vodič. Pokazalo se da se radi o običnom plovilu u koje je Lenz natočio otopinu razrijeđenog alkohola i postavio vodič - platinastu žicu na koju je primijenjena električna struja.

Nakon što je uređaj stvoren, znanstvenik je počeo provoditi pokuse. Izmjerio je točno vrijeme potrebno da se alkohol u posudi zagrije na 10 ^° C. Mnogo je vremena potrošeno ne samo mjesecima, već i godinama. Godine 1843., deset godina kasnije, objavljen je zakon koji je bio suština zagrijavanja vodiča strujom razmjerno kvadratu zaposlenog za grijanje struje.

Joule i Lenz

Ali nije bilo tamo! Ispada da je prije nekoliko godina engleski fizičar James Prescott Joule proveo slične eksperimente i već je objavio svoja zapažanja. Kako biti? Lenz nije odustao i pažljivo proučio rad Joulea i došao do zaključka da su, čak i ako su proveli iste eksperimente, Lenzovi eksperimenti bili mnogo točniji. S tim u vezi, znanstvena zajednica dodala je rad Jouleu Lenzovom amandmanu i taj je zakon postao poznat kao Joule-Lenzov zakon. Matematička formulacija zakona je sljedeća:

Q = I * U * t, gdje:

• I - jačina struje, A;
• U - napon, V;
• t je vrijeme koje je potrebno da struja prođe vodič, str.

Sam zakon je sljedeći: količina toplinske energije koja se oslobađa u vodiču kroz koji teče električna struja jednak je proizvodu struje, napona i vremena prolaska struje kroz vodič.

Ohmov zakon

No, hoće li ta tvrdnja uvijek biti istinita? Možete ga pokušati izvesti koristeći Ohmov zakon. Sudeći po tome, U = I * R, gdje je R otpor, Ohm.

S obzirom na Ohmov zakon, vrijednost možete zamijeniti u formuli Q = I * U * t = I ² * R * t. Iz toga možemo zaključiti da količina topline izravno ovisi o otpornosti vodiča. I za Joule-Lenzov zakon ta tvrdnja će također biti istinita: I = Q = I * U * t.

Sve tri formule će biti točne, međutim Q = I ² * R * t će biti istinita za sve situacije. Druga dva su također točna, međutim, u određenim okolnostima.

vodiči

Sada o dirigentima. U početku su Joule i Lenz koristili platinske žice u svojim eksperimentima, kao što je gore spomenuto. U svim sličnim eksperimentima znanstvenici tog vremena uglavnom su koristili metalne provodnike jer su bili prilično jeftini i stabilni. To ne iznenađuje, jer su do sada metalni vodiči glavni tip vodiča, u vezi s kojima se u početku smatralo da je Joule-Lenzov zakon primjenjiv samo na njih. Međutim, nešto kasnije otkriveno je da se ovaj zakon ne odnosi samo na metalne vodiče. On je istinit prema bilo kojoj od njih. Sami vodiči na klasifikaciji mogu se podijeliti na:

• Metalni (bakar, željezo, srebro itd.). Glavnu ulogu u njima igraju negativno nabijene čestice (elektroni) koje protječu kroz vodiča.
• Tekućina. U njima su ioni odgovorni za kretanje naboja - to su atomi u kojima je ili previše ili previše elektrona.
• Plinovit. Za razliku od svojih kolega, u takvim vodičima struja se određuje kretanjem oba iona i elektrona.

I unatoč razlikama, u svakom slučaju, s povećanjem struje ili otpora, količina topline će se povećati.

Primjena zakona od strane drugih fizičara

Otkriće Joule-Lenzovog zakona obećavalo je velike izglede. Uostalom, u stvari, ovaj zakon dopušteno stvaranje vrste različitih električnih grijača i elemenata. Primjerice, malo kasnije, nakon otkrića zakona, znanstvenici su primijetili da kada se neki elementi zagriju, počinju svijetliti. Oni su htjeli eksperimentirati s njima koristeći različite dirigente, a 1874. ruski inženjer Alexander Nikolaevich Lodygin izumio je modernu žarulju sa žarnom niti, čiji je konac izrađen od volframa.

Zakon Joule-Lenz i elektrotehnika - primjerice, pri stvaranju osigurača. Osigurač je određeni element električnog kruga čija je konstrukcija napravljena tako da, kad struja teče kroz nju iznad dopuštene vrijednosti (na primjer, kada kratki spoj pregrijava se, topi se i otvara strujni krug. Čak i običan kuhalo za vodu ili mikrovalna pećnica, koje praktički svi imaju, radi u skladu s ovim zakonom.

zaključak

Prilično je teško odrediti doprinos ovih znanstvenika modernoj elektroniki i elektrotehnici, ali jedno je sigurno - pojava Joule-Lenzovog zakona pretvorila je percepciju ljudi u električnu energiju i dala specifičnije znanje o tome što je električno polje u strujnom vodiču.

Bez sumnje, zakon koji su otkrili ovi veliki fizičari postao je odlučujući korak u cijeloj znanosti, upravo zahvaljujući tom otkriću naknadno su stvorena druga, manje ili više velika postignuća drugih znanstvenika. Sva znanost je tijesno ispreplitanje otkrića, nekih riješenih i neriješenih problema. Zakon koji je ispitan u ovom članku utjecao je na mnoge studije na određeni način i ostavio neizbrisiv i sasvim poseban trag u znanosti.